（车辆工程专业论文）客车轴承与轴颈自动测量选配及管理系统的研究.pdf

摘要 y8 7 8 9 2 8 摘要 本文针对以往铁路客车轴承与轴颈人工测量维修效率低、成木高、劳 动强度大、精度差等缺点，研制了一套客车轴承与轴颈尺寸的自动测量系 统，能够自动地完成尺寸的测量、数据存储、通信和数据管理t 作。该系 统包括固定式和手持移动式榆测装置。具体包括机械机构、测量系统和数 据库等。其中测量控制系统包括硬件设备和相应的控制程序等方面。 茸先，讨论了轴承与轴颈尺寸自动测量系统的总体结构和工作原理， 并主要讨论了系统机械装置的结构。包括工作台和夹具设计。分析了这些 机构的优缺点，并相应地提出了一些有待改进的措施。 其次，讨沦了固定式和手持式自动测量系统的控制部分的组成。固定 式包括光栅尺、脉冲记数卡、i o 卡、工业控制计算机等。手持式测量装 置由单片机构成，并具无线通信功能。还着重讨论了测量控制的流程和软 件的研制，分析了在控制和运行过程中出现的各种问题。 再次，讨论了通信系统的建立。设计了一套无线通信系统，进行测量 的数据传输。包括手持式和p c 机的无线通信控制器，设汁了相应的硬件 和软件。 最后，讨论了自动测量系统数据库的建立。用于对测量数据的保存、 查询、分析和网络传输等功能。 实践证明：术套自动测量系统能够很好地满足使用要求，具有高重复 精度、高效率和低成本等优点，提高了社会、经济效益。 本系统的研制也符合铁路系统对自动化和信息化的要求，适应了我国 铁路现代化的发展，在铁路系统具有很好的使用推。前景。 关键词：轴承，轴颈，自动测量，无线通信，数据库 1 a b s t r a c r a b s t r a c t as e to fa u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mf o rb e a r i n ga n da x l ej o u m a lo n p a s s e n g e rc a r h a sb e e nd e v e l o p e dt of u l f i ht h ew o r ko fm e a s u r i n gt h e d i m e n s i o n ，d a t as a v i n g ，c o m m u n i c a t i o na n dd a t am a n a g e m e n ti nt h i sp a p e r ， a i m i n ga t t h ep r e v i o u sd e f i c i e n c i e so fm a n u a 】m e a s u r e m e n t ，s u c ha s1 0 w e f ：f i c i e n c j e s ，h j g hc o s t ，h j g hl a b o ri n l e n s i t ya n dl o wp r e c i s i o n 7 n l es y s t e mi s c o m p o s e do ff i x e da n dm o b i l em e a s u f i n ge q u i p m e n t ，i n c l u d i n gm e c h a n i s m ， m e a s u r i n gs y s t e mw h i c hi n c l u d e t h eh a f d w a r ea n dc o 丌e s p o n d i n gc o n t r o l s o f t w a r ea n dd a t a b a s e f i r s t ，t h et o t a lc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h em e a s u r i n g s y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a l l dt h es t m c t u r eo fm e c h a n i s mo f t h es y s t e m j s p r i m a r i l yd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gw o r k b e n c ha n dd e s i g no fc l a m pf o rb o t h f i x e da n dm o b i l em e a s u r i n ge q u i p m e n t t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h e s em e c h a n i s m sa i ea n a l y z c da n ds o m em e t h o d st 0i m p t o v ea r ep m p o s e d c o h e s p o n d i n 百y s e c o n d 】y ，t h ec o m p o s i t i o no fc o n m lp a r t so ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d t 1 l ef i x e de q u i p m e n ti l l c l u d e sr a s t e rr u l e r p u l s e c o u n t i n gc a r d ，i 0c a r d ，i p c ， a n ds oo n t h em o b i l eh 柚d s e ti sc o n t i o k db ys i n 舀ec h i pc o m p u t e t 柚dh a s w j r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n ef l o wc h a no fc o n t r o la n dd e v e 】o p m e n lo ft l l e s o f l w a ef o rc o n l r o l i se m p h a s i z e d ，a n dd i 脏r e n tp r o b l e m sa p p e a 丁i n gd u r i n g t h ec o n t r o la n dm n n i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d 1 m i r d l y ，t h ee s t a b l i s h m e n to fc o m m u n c i a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d as e t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s l e mi sd e s i g n e dt om e a s u r ea n dn a n s f e rd a t a ， i i i 第一章导言 第一章导言 1 1 问题的提出 转向架是铁道车辆的重要组成部分，承受来自车辆自重、载重和线 路的各种载荷，具有缓冲、减振作用，是保证车辆运行品质和行车安全的 关键部分。轮对轴箱装置作为转向架重要部件之一，除传递车辆载荷外， 还传递轮轨之问的各种作用力。其组装质量的好坏，直接影响车辆的运行 安全，尤其是旅客的旅行安全。因此，在轮对轴箱装置的组装过程中，对 轴承和轴颈的配合提出了严格要求。如果公差配合不合要求，如间隙较大， 列车行使时震动较大、形成对轮轴较大的冲击，是导致形成疲劳断裂的重 大隐患：如果问隙过小，形成的残余应力也很大，也容易产生裂纹和断裂， 铁道部铁路客车段修规程和济南铁路局客车检修工艺规程都对其 作了明确规定。所以，轴承和轴颈的尺寸测量与选配是保证轮对轴箱组装 质量最重要的工作之一。 目前，大多数轴承与轴颈的测量基本是采用千分尺或千分表进行测量 和记录，这种测量方法费时费力，测量精度受测量手段限制，效率低，对 轴承与轴颈的组装质量有一定影响。太原车辆段己采用了自行设计开发的 轴承与轴颈测量与选配系统，不但保证了测量精度，而且缩短了测量时间， 提高了轮对轴箱装置的组装效率。但该系统存在重复测量精度误差问题。 为此，本论文在研究各种测量方法的基础上，提出一种用光栅尺作为测量 元件的轴承与轴颈测量与选配微机系统。 1 2 研究目的与意义 随着我国国民经济的迅速发展，对铁路运输提出了更高的要求。今后 铁路面临的艰巨任务仍然是提速和重载，列车速度的提高，列车数量的增 匕京交通大学硕上学位论文 加，势必给车辆检修工作带来更大的挑战。以往人工测量和手工记录的方 式越来越不适应铁路提速、重载的要求。同时，通过上网和专利检索，了 解到目前国内很少有轮轴的轴承、轴颈测量方而的自动化测量装置。因此 为了适应铁路发展的需要，提高维修效率，研制一套自动测量、通信、数 据保存和查询等功能于一体的轴承和轴颈的自动化测量系统具有重要意 义。 本文根据实际需要设计了一种能进行轴承和轴颈尺寸的自动测量的 系统。它不但能精确地测量轴承内圈直径和车轴的轴颈，而且能在固定工 作台上和移动工位上进行测量，使用灵活方便，并能对测量的数据通过数 据通信自动存储在p c 机中，避免了手工添表的麻烦，因而也适应了铁路 系统对段修自动化和信息化的要求。 1 3 主要研究内容和方法 轴承、轴颈尺寸自动测量系统是集机械、电子和计算机的测控于一体 的高科技产品，它主要包括固定式测量装置和移动式测量装置两部分。包 括测量系统机械部分设计、轴承轴颈尺寸测量装置、计算机数据采集分析 系统、无线通信模块和数据库的建立。它必须具备以下功能： 1 轴承、轴颈尺寸的精确测量。 2 适应车间的恶劣工作环境，要求能对固定的工位和移动的工位都 能进行测量，因此必须有无线通信功能和网络传输功能。 3 数据的采集、分析和保存。 本套自动测量系统的研制丰要包括以下几个部分： 1 测量系统的机械部分设计。主要是测量工件的工作台和夹具，要 对固定的工作台和手持式移动测量装置分别进行设计。 2 测量系统的设计。包括测量原理的探讨、测量方案的选择、测量 第一章导言 系统的硬件组成，包括固定式和手持移动式。包括系统的硬件和 软件的构成。 3 通信系统的设计。包括手持式与工控p c 机的无线通信模块的建 立。包括相应的硬件电路的设计和软件的研制。使本套测量系统 应用范围更加广泛。 3 第二章测量系统总体构成和机械部分设计 第二章测量系统总体构成和机械部分设计 本套轴承、轴颈尺寸测量装置丰要由两大部分构成，即固定式测量 装置和手持式移动测量装置。测量系统由硬件和软件组成。机械部分主要 指测量夹具，需要对固定式和手持式移动测量装置的夹具分别进行了设 计。 2 1 测量系统的总体构成 2 1 1 硬件构成 轴承、轴颈尺寸测量系统的整体结构如图2 1 所示。整个系统包括 固定式测量装置和移动式测量装置。 图2 1 测量系统示意图 对于固定式测量装置，选用研华公司的工业控制计算机( i p c ) ，内 插有脉冲记数卡、开关量输入、输出( i o ) 卡，所有适配卡均有光电隔 北京交通大学硕士学位论文 离，插在l p c 的l s a 扩展槽中，并内置于控制柜。对于每个固定工位都 有相应的夹具来夹持工件，每个工位还有1 个光栅尺用来测量轴承和轴径 的尺寸。光栅尺的精度达3 0um ，分辨率达1 3pm ，当光栅尺移动时， 会发出一定数量的脉冲，例如，每移动1 m m ，会发出1 0 0 0 个脉冲，采用 脉冲记数每对其进行记数，就可以计算出移动距离，并计算出工件尺寸。 对于手持式移动测量装置，主要包括在移动工位上进行测量的手持 式测量装置和与p c 机并口相连的无线通信控制器，手持式测量装置也有 1 个无线通信模块，能通过无线通信与p c 机进行数据传输。无线通信的 范围可以达到1 0 0 3 0 0 米，适合车间工作的场合。手持式移动测量装置的 测量原理与固定式测量原理相同，但使用更加灵活、方便，同时还能将测 量数据保存起来，测量完毕后还可以通过串口将数据传输到其它的p c 机 保存起来。 控制柜面板上有电压指示表及十几个指示灯和操作按钮，包括电源 指示灯、送停电按钮、手自动转换开关，自动状态下的启停按钮及手动 状态下的肩停。所有工作都由计算机控制，计算机上有友好的人机界面， 可以进行各种操作，操作过程非常简荤，通过鼠标和键盘操作菜单点击所 提示的功能，便可实现，在运行过程中，遇到故障会产生相应提示。考虑 到工业现场的实际情况，在设计人机操作界面时，很少使用计算机的键盘 和鼠标操作，操作人员只需操作为数不多的几个按钮开关就可以进行日常 的操作和校验工作，但信息的显示大部分都在计算机显示屏幕上，如出现 故障或误操作，除具有声光报警之外，计算机屏幕上会有文字信息提示故 障及误操作的类型，并有帮助信息去指导操作人员。 2 1 2 软件组成 本系统主机的控制软件主要由数据采集模块、无线通信模块、网络 北京变通大学硕士学位论文 活、方便的夹具是一个好的测量系统的前提条件。测量工件的尺寸比较困 难的是测量工件的内径，而外径很容易测量。本文丰要针对测量工件内径 设计夹具形状。 2 2 1 固定式测量装置的夹具设计 夹具方案一： 如图2 2 所示，当手工转动转盘沿图中旋转方向转动时，夹具中的 支撑杆发生旋转，由状态s 1 转动到状态s 2 ，支撑点到圆心的距离将随着 转动增加，直到支撑点与支撑住工件。因为每个支撑杆的尺寸完全相同， 转动盘转动并带动支撑杆旋转时，支撑杆转动相同的角度，3 个支撑杆中 的每个支撑点到圆心的距离也完全相同，因此可以自动定位工件的圆心。 夹具方案二： 如图2 3 所示，两个固定点c 、d ，轴线a b 是c d 的垂直平分线， 也是测量尺的滑动端s 的移动轴线。当将工件放置在固定点c 、d ，并用压 紧装置压紧时，则工件的直径必在固定点c 、d 的垂直平分线上，即轴线 a b 上。因此当滑动端s 移动时，就可测量或计算出工件的内径。 夹具方案二比第种方法更加简单实用，减小了加工难度，降低了成 本。使用起来也更加灵活方便。工件的内径和外径都很容易测量。 8 第二章测量系统总体构成和机械部分设计 a 图2 2 被测工件夹具 图2 3 被测工件夹只二 9 紧装置 北京交通大学硕士学位论文 图2 4 测量尺的基本结构 输出 测量尺的基本结构如图2 4 所示，测量尺的移动端的运动轨迹与图2 3 的轴线a b 重合。对于固定式测量装置，测量尺和夹具都固定在工作台 上。 在测量时，经常出现测量尺移动端带动光栅尺分度尺左右来回运动几 回，由于左、右运动的信号输出两路脉冲的相位不同，可以通过方向识别 电路加以区分，并在8 2 5 3 的两个计数器分别记数，然后做相减运算，就 能测出工件的实际尺寸。这将在下一章中详细介绍。 2 2 2 移动式测量装置的夹具设计 移动式测量装置的夹具和测量尺的机械结构与固定式的基本相同， 只不过将夹具与测量尺做成一体，并与工作台分离。这样能很方便地应用 在移动测量的场合。 它还带有电路输出接口，手持式测量装置也有对应的输入接口与其连 接。它们使可分离的。测量时只需将其连接在一起。 第_ 章测量系统总体构成和机械部分设计 2 3 本章小结 木章介绍了本套装置的整体构成，包括硬件构成和软件组成，并对固 定式和手持式移动测量装置的夹具分别进行了设计，实验表明这些夹具的 设计对测量工件的尺寸具有很好的效果。 第三章轴承与轴颈尺、j 数据采集系统 第三章轴承与轴颈尺寸数据采集系统 轴承轴套尺寸自动检测系统根据现场的需要主要由固定式和手持移 动式两大部分构成。同定式是由控制柜( 包括：工业控制计算机、采集卡、 继电器、光耦隔离、转换电路等) 和外围设备( 各种传感器和执行元件) 组成的。而手持式可以工作在车间中的任何位置，并通过无线通信与主控 计算机进行无线数据通信。 3 1 固定式检测系统 光栅尺 开关输入、输出量 控制柜、控制面板 圈3 一l 固定式检测装置的总体构成 圈3l 固定式检测装置的总体构成 1 3 北京交通大学硕士学位论文 如图3 1 所示，固定式检测装置脉冲记数卡、i o 卡、光栅尺和一 些外围电路构成，此外还包括无线通信控制器通过并口与p c 机通信，将 无线收发的数据传输到p c 机。光栅尺作为轮轴的轴承、轴颈测量的主要 传感器，输入的信号经过光电隔离，转换电路等，传输到脉冲记数卡中， 启动并开始记数。其它的一些开关量输入或输出作为一些辅助的功能，为 脉冲记数服务。例如，进行手工检测轴颈或轴承时，预先需清零，可以按 在被测工件附近的启动记数开关，使某个开关量输入的高低电平发生变 化，而p c 机的i 0 卡检测到此开关量变化时，可以调用清零子程序并准 备开始记数。 整个固定式检测系统是在w i n d o w s 环境下用v c + + 6 0 编程，人机界 面友好，某些常用的操作，既可以用点击菜单完成，也可以按动控制柜上 控制面板的一些常用开关，对于最常用的、重复次数最多的操作，如“清 零并启动记数”操作，在固定工位附近就有这些操作开关按钮，使用非常 方便。 3 2 数据采集原理 数据采集包括光栅尺、脉冲记数卡和相应的方向判断电路，使其能 更好地对光栅尺发出的脉冲进行记数。 3 2 1 光栅尺检测原理 目前使用的位置检测元件种类很多，普遍采用增量式( 相对零点) 。 按其性能可分成：直线型( 光栅尺等) 、回转型( 脉冲编码器等) ，光栅尺 做为一种精密测量工具被广泛用于精密测量领域。光栅尺检测主要用高一 级精度的光栅母尺作基准，或以一般激光干涉仪为基准，利用光栅尺形成 的莫尔条纹，通过光电转换、辨向和细分 x 北京交通大学硕士学位论文 的各种处理。8 2 5 3 芯片内部具有三个独立的1 6 位计数器，它可用程序设 置成多种工作方式，按十进制计数或二进制计数，最高计数速率可达2 m h z 。 8 2 5 3 能用于多种应用场合，例如外部事件计数器、可编程方波频率发生 器、分频器、实时时钟以及程控单脉冲发牛器等。 本接口卡的功能组成非常灵活，通过跨接插座的不同连接方式，可以 使8 2 5 3 的时钟输入端c l k 通过光电耦合器与被测现场信号相连，或者与 卡上基准时钟相连，也可以将二至三级计数器串连使用。对于8 2 5 3 的启 停控制端g a t e ，同样可以通过跨接插座的选择，使其或者受外部信号的 控制或者设置为常允许。 本接口卡为方便用户采用中断方式工作，提供了三个中断源i r q 2 、 i r q 。、i r q z 。用户可根据需要将8 2 5 3 的o u t 信号接至这三个中断源上，并 编写相应的中断管理及处理程序。使用中应注意不要将几个0 u t 信号接在 同一中断源上。各片8 2 5 3 的o u t 信号也可经过光电耦合器提供给现场的 设备使用。 二、8 2 5 3 可编程计数定时器： 因为无论是脉冲记数卡还是手持式检测装置都要用到8 2 5 3 芯片，因 此有必要介绍以下8 2 5 3 芯片， x 北京交通大学硕士学位论文 oo选择0 # 01 选择l # 1o选择2 # 11非法 型t 一目曼il 薹一姐娃i r 争 蓦；毒囊l群镉套耳 薹蠢辐玎囊塑霆藕篱 萼i黄z 彳笫豫瑟箍 善 第；g 蓁薷鞯篷l 澎 鲫孥瀛嚼0 蓬；硒雾f 蠢斐i 嚣 转& 一；。p i 。篓劳“熟鬟矗蛆 墓銎 薹j怼警书窘髦蓁 妻亏 一 蚕涿 z 薹差l萎钵i i羹璀娶i 萋；骚蒸! !霍量蓑臻g i筵；筑 读出状态字 x c s = o ： 北京交通大学硕士学位论文 方式1 ：可编程单脉冲输出。 输出低电平的f 阻， 菠二 # 廷翻戳割瑟瑶磐撩鬻翁矍羹瓣苦朔j 自丰留鲤喊韵舡静鼢嚣转踅引融蓦翼 慕差g j 敷嚣羹萧任：鼓娶璋厦崔墅曼酯弘彰。“蒸嚣戤莓詈篙察 妊罱烈掣鸯禹刘聋蛩翻型巫墒；鎏臻鬻基妻荩曹鼢剖酬。是| 差落筝斟蓍 裂型雩| ! | 雾i 襄髦噬遴匿；l 噶盈理港譬譬萎戥薛昔： 苹蜥! ；罐为装誓唧；规定为1 5 5 v ，因此在与单片机的t t u c m o s 电路接口时必须经过电平转换。采用m a x 2 3 2 芯片作为电平转换芯片， 适用于2 3 2 通信接口。m a x 2 3 2j 占片内部有一个电源电压变换器，可以把 输入的+ 5 v 电源电压变换成为r s 2 3 2 输出电平所需的1 0 v 电压。采用 此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+ 5 v 电源就可以了。对于没有 12 v 电源的场合，其适应性更强。因此性能要远好于需要1 2 v 电源供电 的m c l 4 8 8 、m c l 4 8 9 等。由于数据量不大，r s 2 3 2 规定的2 0 k b s 的传输 速率基本满足要求。 图3 1 0p c 机中串口通信程序 p c 机上的串口通信小程序是用v b 6 0 编制，下面为打开串口的部分 程序如下： c信参数 x 第三章轴承与轴颈尺、j 数据采集系统 的方式工作。 光栅尺上的主尺固定在工作台上，分度尺安装在测量尺的移动端上， 能随着移动端在主尺中滑动。移动端的左右运动带动光栅尺中的分度尺在 主尺中作左右运动，从而光栅尺输出与运动距离成正比的脉冲信号到i p c 中的脉冲记数卡，读出脉冲个数，从而测量出工件尺寸。 3 2 3 方向判别及倍频电路 当光栅尺上的分度尺移动时，输出两路正交的、相位角相差9 0 0 的方 波信号，以进行正、反方向运动的区别。为更精确地读取弹簧的高度h ， 最好要区分左、右方向运动。因此需要对光栅尺输出的两路相差9 0 0 的方 波信号i n p u t l 、i n p u t 2 进行变换，转换成一路为方波信号0 u t p u t l ，一 路为高或低电平o u p u t 2 。当光栅尺的分度尺向左运动时，0 u t p u t l 为方波 信号，o u p u t 2 为高电平；当分度尺向右运动时，o u t p u t l 为高电平，o u p u t 2 为方波信号，因此需要转换电路，如图3 5 所示。 图3 5 光栅尺倍频及方向转换原理 进行这种逻辑转换的方法很多，主要有以下几种方法： ( 1 ) 采用组合逻辑电路的方法 采用一套组合逻辑电路来实现，如图3 6 ( a ) 所示，转换结果如图 北京交通大学硕士学位论文 3 6 ( b ) 所示。 ( a ) 转换电路 螂叭厂 厂 厂，删厂 厂 广 螂鬯! 厂 厂 厂，。舢厂 厂 厂 o u t p u l l 一 o u 咖! ! 厂 厂 厂 = 门厂 厂 ( b ) 正、反向波形输出 图3 6 光栅尺方向判断电路 其中7 4 l s l 2 2 是单稳态触发器，7 4 l s o o 是与非门。i n p u t l 、i n p u t 2 是光栅尺的两个方波脉冲输出，相位相差9 0 。图中o u t p u t l 、o u t p u t 2 是分度尺左右运动时转换电路的输出，向左运动时o u t p u t l 输出脉冲， o u t p u t 2 是高电平；向右运动时0 u t p u t 2 输出脉冲，0 u t p u t l 输出高电平。 o u t p u t l 、o u t p u t 2 同时接到脉冲记数卡的两路输入。 从以上也可以看出，用组合逻辑电路的方法比较复杂，特别是当需要 倍频时，还需要扩展电路，造成电路体积大，t 扰大，可靠性差。 ( 2 ) 采用专用倍频鉴向集成电路 可以采用专用的鉴向倍频电路p d c 9 3 0 1 集成电路，该电路是基于两个 第三章轴承与轴颈尺寸数据采集系统 正交的输入信号，能够产生l 倍频、2 倍频、4 倍频的输出，并可以进行 方向转换。它采用3u 硅栅c m o s 工艺制作，其信号的输入与输出完全与 l s t t l 电路兼容，在+ 5 v 电压下工作，采用双列直插式1 6 线封装。如图3 7 所示。 n c c p a b s 1 s 2 n c v s s p d c 9 3 0 l v d d n c n c n c + f b f b n c n c 其中，s 1 ，s 2 是倍频选择端，可以进行1 4 倍的选择。a 、b 是相输 入端，+ f b 、一f b 是反向、正向倍频脉冲输出端。这种电集成路非常简单 实用。 ( 3 ) 采用g a l 门，将输入输出的逻辑写入g a l 芯片，常用的用 g a l l 6 v 8 逻辑阵列进行译码，采用a b e l 语言编程。本文用g a l 门实现4 倍频鉴向电路。要想实现可编程的逻辑输出必须首先确定逻辑方程。 设a 、b 为光电编码器的两个输出，它们的上升沿和下降沿分别为 ，4 、爿、a 口、曰则经过4 倍频并方向转换之后的输出为： p 1 = b 一+ b a 爿+ 爿b + 爿b j p 2 写占月+ 曰4 + 爿口+ 一b 其中，鲋、爿、口、口可以分别由单稳态触发器，如：7 4 l s 2 2 1 来实现对脉冲的上升沿和下降沿的检测，同时还可以外接电阻r 和电容c 来调节输出脉冲的宽度。 m o 幽l 】ey m 4 北京交通大学硕士学位论文 t i t l e v r n 4 y m 4d e v i c e p 1 6 v 8 s jn 1 ，i n 2 ，i n 3 ，i n 4 ，i n 5 ，i n 6p i n 3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 i n l 6 分别代表a ，b ，哇，爿，口，口 p lp i n1 3 p 2p i n1 4 h ，l ，x = 1 ，o ，x ， e o u a t l 0 n s p 1 = i n 2 i n 3 # ! i n 2 i n 4 # i n l i n 6 # ! i n l i n 5 p 2 = i n 2 i n 4 # ! i n 2 i n 3 # i n l i n 5 # ! i n l i n 6 e n dy m 4 ( 4 ) 采用c p l d f p g a 芯片，也是将逻辑写入这些芯片，采用v h d l 或a h d l 语言。c p l d 、f p g a 都是可编程逻辑器件，是在p a l 、g a l 等逻辑 器件上发展起来的，并且规模比较大，适用于时序、组合等逻辑电路场合。 常用的芯片是a l t e r a 公司的f l e x l o k 、f l e x 8 0 0 0 、f l e x 6 0 0 0 系列等。 经倍频和方向转换后的信号o u t p u t l 、o u t p u t 2 ，进入脉冲记数卡上 的8 2 5 3 记数器分别进行记数。可以根据两路的脉冲个数进行距离的测量 和上下运动方向的判断。它们由如下命令控制。 一o u t p ( a d d r e s s ，c m d 1 ) ；初始化并设定工作方式； o u t p ( a d d r e s s ，c m d ) ；发命令，启动脉冲记数 c o u n t l _ _ i n p ( a d d r e s s l ) ；读取0 u t p u t l 脉冲记数值，1 6 位 c o u n t 2 _ _ i n p ( a d d r e s s 2 ) ；读取0 u t p u t 2 脉冲记数值，1 6 位 第三章轴承与轴颈尺寸数据采集系统 当c o u n t l o 并且c o u n t 2 = o 时，分度尺向左运动；当c o u n t l = o 并且 c o u n t 2 0 时，分度尺向右运动。 ( 5 ) 采用n e u r o n 芯片 图3 的倍频鉴向和8 2 5 3 的脉冲技术，完全可以用l o n w o r k s 的网络 神经元芯片n e u r o n 3 1 5 0 芯片，如东芝公司生产的t m p n 3 1 5 0 8 1 a f 芯片来替 代。 n e u r o n 芯片的1 1 个i o 管脚具有正交( q u a d r a t u r e ) 输入的功能。 可以将i n p u t l 、i n p u t 2 直接接入n e u r o n 芯片的1 0 4 、1 0 5 ，然后可以根 据程序设定，同时芯片内部有计数器进行记数。如果当1 0 4 输入为“低” ( 或“高”) ，而1 0 5 输入为下跳变( 或上跳变) 时，计数器值递增；如果 当第一个输入为“低”( 或“高”) ，而1 0 5 为上跳变( 或下跳变) 时，计 数器递减。由i o - i n ( ) 返回一个s i g n e d1 0 n g 类型的值。因此当与光栅尺 的分度尺相连的测量尺移动端往复运动时，它会自动地进行记数和加减运 算。 采用n e u r o nc 语言进行编程。例如，采用1 0 4 、1 0 5 管脚进行输入脉 冲记数，程序如下： l o n gi n p u t v a l u e ： i o 一4i n p u tq u a d a t u r ei o d i a l ； 1 0 4 和1 0 5 同时作为正交输入口 i n p u t v a l u e = i 0 _ i n ( ) ； l o n gd i a a n g l e = o ； w h e n ( i o _ u p d a t e - o c c u r s ( i o - d i a l ) ) d i a l a n g l e + = i n p u t v a l u e ； 2 s 北京交通大学硕士学位论文 3 2 4 数据采集系统实时性的讨论 在任何数据采集系统中总是存在实时性的问题。例如当外部状态发生 变化时，控制系统需要及时响应，并作出相应的处理。例如当按动一个按 钮启动脉冲记数卡立即记数时或者当外部通过并口或其它接口传递给p c 机数据时，计算机需要暂停当前的工作，对这些任务应立即相应。 因为本文程序是在w i n d o w s 9 8 下开发的，因此也就存在着w i n d o w s 9 8 下实时响应的问题。针对此问题有几种方案可以考虑，第一种是利用 w i n d o w s 9 8 环境下的多线程机制；第二种是在w i n d o w s 9 8 环境下实现中 断调用。两种都是对用户程序进行修改，通用性较强。 一、w i n d o w s 粥下的多线程机制 以往m s d o s 操作系统是一个单任务操作系统，一次只能运行一个 程序，即程序装入、运行、退出、再装入其它程序。而w i n d a w s 9 8 则是 一类抢先式多任务、多线程操作系统。与u n 一样使用抢先式多任务以 保证进程的独立性。而且多线程将一个程序进一步划分为不同的执行单 元，不同的执行单元即线程可以有不同的优先级，提高了程序的运行效率。 一个进程包括个或多个线程、代码段、数据段合其它资源。如打开的程 序文件、信号量、监视事件和动态分配的内存等。多线程机制可以使不同 的执行部分分成前后台，后台线程等待事件的发生，然后响应事件并立即 将优先级较高的后台线程激活，并与前台任务交互。例如，可以将一些常 用的工作放在前台，使其正常工作，而后台放置个监视线程来监视某个 信号的发生，当某个信号到来时，后台的辅助线程立即响应，完成所需的 工作。这种方法要远远好于查询的方法。 第三章轴承与轴颈尺寸数据采集系统 本文就创建了个辅助线程，用来监视当外部i 0 信号电平发生瞬 间变化，然后立即启动相应的程序，程序是用v c + + 6 o 编写的，并使用 了w i n 3 2 a p l 功能函数。如下所示： c s c a n v i e w ：c s c a n e w ( ) 初始化 i n t f l a g - o ；初始化外部i o 变量 a 救b e g i n t h 托a d ( w a t c h 0 1 1 1 1 f e a d ，g e t s a f c h w n d 0 ， t h r e a d p r i o r i t y n o r m a l ) ； 建立监视线程，因为只有一个辅助线程，所以优先级设定 为一般优先级。 ) ，e n d u n i t w a t c h 0 1 一n e a d ( l p v o i dp a r a m ) d o f l a g = - i n p ( a d d r e s s l ) ；从i 0 卡中读取外部i o 变量的状态 i f ( f l a g = = 1 )如果外部l ，o 变量状态发生变化 。 o u t p ( a d d r e s s 2 ，c m d ) ；立即启动脉冲记数卡对光栅尺进行记数 ) w h i 】e ( 1 ) e n d 经过实验测试，从外部“o 电平发生变化一瞬问到脉冲记数卡开始对 进行相应的响应，最大的延迟响应时问不超过1 m s ，主要是由w i n d o w s 9 8 北京变通大学硕士学位论文 的内部机制造成的。 二、w i n d o w s 粥下的中断实现 硬件中断是微机系统的重要功能之一。w i n d o w s 9 8 不同于d o s 的实 模式，而是运行在保护模式下。它采用了层次式体系结构，其中r i n 如级 是最高访问级别，而r i n 9 3 级是最低权限级别，对用户开放，用户只能规 矩地使用w i n 3 2a p i 。一般应用程序都运行在r i n 邸级别。而w i l l d o w s 9 8 作为一个完整的3 2 位多任务操作系统，不象w i n d o w s 3 x 那样依赖于 m s 。d o s ，但为了保证软件的兼容性，w i n d o w s 9 8 除了支持w i n l 6 应用程 序和w i n 3 2 应用程序外，还的支持m s 。d o s 应用程序的运行，它是通过 虚拟机v m ( n u a lm a c h i i i e ) 环境来确保其兼容和多任务特性的。 w i l l d o w sv m 就是指执行应用程序的虚拟环境，包括m s d o sv m 和 s v s t e mv m 两种虚拟环境。每个m s d o sv m 中只运行一个m s d o s 进 程，而s v s t e mv m 能为所有的w i n d o w s 应用程序和动态链接库d l l 提供 运行环境。每个v m 都有自己独立的地址空间、寄存器状态、堆栈、局部 描述符表、中断状态和执行优先权。虽然w j n l 6 和w i n 3 2 都运行在s v s t e m v m 环境中，但w i n l 6 应用程序共享同一地址空间，而w i n 3 2 应用程序 却有自己独立的地址空间。w i n d o w s 9 8 操作系统能够实现多线程、多进程 的应用，系统是通过一个虚拟机管理器v m m ( n u a lm a c h i n em a n a 职r ) 和虚拟设备驱动程序v x d ( n u a ld e v i c ed f i v e r ) 。 在w i n d o w s 环境下，要处理硬件中断，实现d m a 操作，就一定要用 到设备驱动程序，开发即插即用( p n p ) 设各，如p c i 接口卡，更是这样。 w i n d o w s 环境下驱动程序有三类：v x d 、k m d 和w d m 。w d m 、v x d 等可以直接访问w i n d o w s 的内核。 w d m ( w i n 3 2d r i v e rm 0 d e l ) 是m i c r o s o f i 公司力推的驱动程序模式。 运行平台是w j n d o w s 9 8 m e 脚0 0 0 操作系统。w d m 日益成为w i n d o w s 平台的主流。因为在w i n d o w s 9 8 下，用户没有必要用w d m 写驱动程序， 第三章轴承与轴颈尺寸数据采集系统 而且w d m 代码长而且复杂。因此本文采用v x d 开发驱动程序。 此外，k m d ( k e r i l e 】m o d e d r i v e f ) 是在w i n d o w s n t 下提出的管理、 维护硬件运作的驱动程序模式。 目前对于w i l l d o w s 9 8 最常用的是v x d 。v x d 运行在系统保护层 ( r i n 印) 下，可以完成各种系统物理层的访问。起源于w i n d o w s 3 1 时代， 直到现在，它仍然在w i n d o w s 9 5 9 8 门e 操作系统种起主导作用。v x d 可 以随v m m 一起静态安装，或根据请求动态安装。安装后v x d 与v m m 紧密合作并共享执行程序，来实现多个进程问的协调工作，防止一个进程 的运行导致另一个进程的崩溃。v x d 与操作系统的关系特殊，既不属于 w i n d o w s 应用程序，也不属于d o s 应用程序。v x d 能够无限制地访问所 有硬件设备，自由地检测和访问操作系统的描述符和页表等数据结构，以 及访问任何的内存位置。v x d 能够扑获软件中断，捕获i o 端口和内存 区域访问，甚至可以截获硬件中断。 当v m m 或v x d 执行时，处理器运行在r i n 层保护模式中。当一 个中断发牛时，处理器切换到r i n g o 的保护模式，接着处理器在l d t ( 中 断描述符表) 中找到中断处理器的地址，并开始运行它。然而w i n d o w s 不使用l d t 查找中断处理器，相反w i n d o w s 将所有的l d t 入口指向v m m 的一个例程，由v m m 例程来确定它是作为异常事件的结果，还是作为中 断的结果被调用。v m m 自己管理异常事件，而将所有的硬件中断交给 v p l c d ( v i n u a lp r o g r a m m i n gi n t e f n l p tc o n t m ld e v i c e ) 的v x d 处理。如 果一个v x d 为中断进行了注册，v p l c d 就将中断交给它处理，负责交给 v m ，由v m 按r e n e c t i o n 处理。v x d 通过调用v p i c d 的服务 v p l c d v i n u a l i z c _ l r q ( ) 来为硬件中断注册，并将回调例程的地址交给 v p i c d 。一旦v x d 进行了注册，就可以作为一个实在的中断处理器自己 来处理硬件中断，或通过调用v p i c d l s e t - l n l r e q u e 瓤) ，将中断映射到 北京交通大学硕士学位论文 一个v m ，让v m 处理器代替它处理中断。 v x d 使用的开发工具是n u m e g a 公司提供的n u m e g av t 0 0 l s d ( 3 o 版或3 5 版) ，它提供了对v x d 编程的类库支持。利用0 0 l s d 开发包中 的q u i c k v x d 工具可以快速生成v x d 的代码框架。它的调试工具为 n u m e g a 公司的s o f t i c e 。这些都可以从网上直接下载。v x d 提供两种硬 件中断类，生成的v x d 驱动程序i n t e m l p i v x d 部分如下： p o r t l l l t e r m p t - h 胛x d 头文件 挣d e f i n e m yl r q 4 并口中断1 r 0 4 c l a s sm y h w i n t ：p u b l i cv h a r d w a r e i n t 派生类a r d w a r c i l l t p u b l i c ： m y h w i n t ( ) ：v h a r d w a f e i n t ( m y 一l r q ，0 ，o ，o ) 定义构造函数 v i r t u a lv o l do n h a r d w a r e i n t ( v m h a n d u 巳) ；，重载中断通知处理 成员函数 c l a s sl n 把m i p t d e v i c e ：p u b l i cv d e v i c ev x d 设备初始化 p o r i i n t e n l l p t c p p似x d 的c p p 文件 m y h w i n t + p m y l r o ；生成一个实例 v 0 1 d m y h w l m ：0 n h a r d w a r e i n t ( v m h a n d l eh v m ) ，中断发生时， 调用此函数 o u t p ( a d d r e s s 2 ，c m d ) ；中断实时处理立即启动开始记数 s e n d p h y s i c a l e o i ( ) ；历乱知v p l c d 中断处理结束 ) 北京交通大学硕士学位沦文 经过实验测试，用此方法进行中断，最大的响应延迟时间不超过1 m s 。 速度要快于线程的方法。 3 3 检测系统的软件设计 软件是整个控制系统的关键。本文在w i n d o w s 9 8 操作平台上，利用集 成开发环境s u a lc + + 6 0 ，开发了一套控制软件。包括清零启动记数模块、 手动测量模块、自动测量模块、并口监视模块、i o 口监视模块等等。 由于w i n d o w s 9 8 系统是一类抢先式、多任务的操作系统，本文引入 了多线程机制，采用信号量( s e m p h o r e ) 或同步事件的方式实现线程相互 之间的协调。本文还将一些重要的调用函数作成动态链接库( d l l ) ，以 便支持多个类之间和多线程在程序运行期间实现共享。d l l 的主要特点 是在运行时与应用程序动态链接且允许几个应用程序共享。d l l 的每个 函数都是一个远程函数，在w i n d o w s 环境下，当应用程序调用这种远程 函